生病了？體內光纖來幫忙！

材料牛注：如果我們身體出現一些不易發現的疾病，只有在體檢或是病情嚴重的時候才會被我們發覺。但是，麻省理工學院和哈佛醫學院的研究人員研發出了一種水凝膠制成的光纖，不但柔軟堅韌還具有生物相容性。將它植入體內，可以幫助我們預測疾病，同時，它還能作為可拉伸應變傳感器使用。小光纖可是有大用途呢！

麻省理工學院和哈佛醫學院的研究人員開發了一種由水凝膠制成的具有生物相容性和高伸縮性的纖維，水凝膠是一種主要由水組成的彈性橡膠材料，所以該纖維可以像繩子一樣彎曲，有望被植入體內以便在疾病初期治療時往體外傳遞光脈沖反饋。

研究人員表示該纖維可以作為一種持久的植入體，并不會因為人體的彎曲和扭曲而失效。目前該成果已在“Advanced Materials”上發表。

研究人員使用針狀纖維向目標組織遞送LED短波脈沖，通過光來激活細胞，特別是大腦中的神經元，這一熱門研究領域被稱為光遺傳學。

"我們的大腦就像一個果凍，而纖維就像非常硬的玻璃，植入纖維就可能會損傷腦組織。但是如果這些纖維足夠柔軟與堅韌，它們就可以提供長期有效的刺激和治療。”麻省理工學院機械工程系副教授Xuanhe Zhao說道。

纖芯材料

麻省理工學院Zhao率領的研究團隊，包括研究生Xinyue Liu和Hyunwoo Yuk在內，致力于研究水凝膠的機械性能。他們設計出了多種方法，可通過生物大分子來合成堅韌柔軟的水凝膠。該團隊還提出了將水凝膠與各種表面（例如金屬傳感器和LED）結合來制備得到可拉伸電子器件的方法。

研究人員與哈佛醫學院Seok-Hyun（Andy）Yun率領的生物光學小組交流后，一致認為可以將水凝膠應用于光學纖維中。 Yun的團隊以前就嘗試過利用水凝膠材料來制造光學纖維且成功地通過光纖來傳輸光，但在彎曲或輕微拉伸情況下，該纖維極易發生斷裂。相比之下，Zhao的研究團隊制備出的水凝膠可以像太妃糖一樣伸展和彎曲。所以兩個團體決定進行合作，希望能找到一個方法將Zhao團隊制備出的水凝膠應用于Yun團隊的光纖設計中。

Yun團隊設計的光纖由包層和纖芯組成。為使光纖的透光率最大，纖芯和包層的折射率需相差較大。“如果纖芯和包層的折射率差距太小，無論什么光通過光纖傳輸后都會消失，”Yuk解釋說。“在光纖中，相對于包層而言，我們希望纖芯具有較高的折射率。因此，當纖芯傳輸光時，光可以通過包層的界面反彈保持在纖芯內，從而降低傳輸過程中的光損耗。

令人高興的是，Yun團隊的研究人員發現Zhao團隊制備的水凝膠材料是高度透明的，并且具有作為纖芯材料的理想的折射率。但是當他們試圖用聚合物溶液包覆水凝膠時，兩種材料在纖維被拉伸或彎曲時傾向于剝離。

為了將這兩種材料結合在一起，研究人員在聚合物溶液中添加了一些共軛化合物，再將其包覆到水凝膠纖芯材料上，使得兩種材料的外表面發生化學鍵連接。“包層中的羧基和纖芯材料中的胺基結合形成分子鍵連接，就像分子水平的膠水一樣將兩種材料結合在一起”Yuk說道。

應變傳感光纖

研究人員通過用不同波長的激光來測試光纖傳播光的能力。經過測試，光纖傳輸后的光強沒有明顯衰減，他們還發現，這種纖維可以拉伸超過其原始長度的七倍而不發生斷裂。

現在，他們已經制備出了一種由水凝膠材料形成的光纖，該光纖高度靈活且堅韌，同時滿足生物相容性。接著，研究人員希望能利用光纖的光學性能設計出一款光纖，通過該光纖可以測量出光纖拉伸的時間和地點。

他們首先將紅色，綠色和藍色的有機染料涂覆到纖維上，并將纖維放置到一個特定區域，例如紅色區域，接下來，激光照射并拉伸纖維。他們測量了光纖傳輸后光線的光譜，并記錄紅光的強度。由于該區域被拉伸，他們認為該強度直接與紅色染料吸收的光的量相關。

換句話說，通過測量光纖遠端的光量，研究人員可以定量地確定光纖拉伸的位置和數量。

“當纖維的某一部分被拉伸時，這部分纖維的尺寸改變，從而使得該區域吸收和散射的光強發生變化，通過這種方式，這種纖維可以作為應變傳感器使用。”Liu解釋說道。

“這就像通過單根光纖的多張力傳感器，因此，它可以作為是一個可植入或可穿戴式的應變計”Yuk補充說。

研究人員認為，這種可拉伸應變傳感光纖可以根據患者手臂或腿的長度植入或安裝，以提高流動性體征監測。

Zhao設想纖維也可以作為傳感器，在有疾病的時候發生響應。他說：“我們可以使用光纖進行長期的診斷，以光學監測腫瘤或炎癥，這是一個強有力有效的應用領域。”

塔夫茨大學生物工程教授Fiorenzo Omenetto沒有參與這項工作，但他表示：“水凝膠纖維非常有趣，并且為人體內植入光纖提供了可能性。下一步將要努力優化和管理纖維的物理和機械性能，這一步非常重要，因為它將有望實現醫療相關性的實際應用。

原文鏈接: Stretchy Optical Fibers for Implanting in the Body.

文獻鏈接: Hydrogels: Surface Acoustic Waves Grant Superior Spatial Control of Cells Embedded in Hydrogel Fibers.

本文由編輯部楊樹提供素材，應豆編譯，點我加入材料人編輯部。